H级燃气联合循环机组主、再热蒸汽管道保温采用纳米气凝胶的可行性研究

王昱彭

摘要：以某H级燃气联合循环机组作为分析载体，通过对比该机组主蒸汽及再热蒸汽管道保温分别采用硅酸铝针刺毯和纳米气凝胶复合绝热毡保温材料的技术经济性，并结合纳米气凝胶复合绝热毡保温材料的优点，分析现阶段H级燃气联合循环机组主、再热蒸汽管道保温采用纳米气凝胶的可行性。从经济性上进行对比，由于纳米气凝胶的初投资太高（比采用硅酸铝针刺毯高出147.15万元），投产后30年纳米气凝胶复合绝热毡的综合费用才会比硅酸铝针刺毯节省87.95万元，但同时纳米气凝胶复合绝热毡具有绝热性能更好、寿命可涵盖机组全生命周期、美观、施工便捷、环保等优点，因此，从机组全生命周期来考虑，选用纳米气凝胶复合绝热毡作为机组主蒸汽及再热蒸汽管道保温材料是可行的。

关键词：纳米气凝胶;硅酸铝;主蒸汽;再热蒸汽;燃气联合循环;保温

0    引言

随着技术的发展，燃气联合循环机组主蒸汽及再热蒸汽的参数越来越高，蒸汽的成本和做功能力也随之提高，而且由于H级燃气联合循环机组布置的原因，主蒸汽、再热蒸汽管道长度一般在100 m以上，具有较大的散热面积，因此，通过降低主蒸汽、再热蒸汽管道的单位长度散热损失，可以有效保持蒸汽的做功能力，从而获得明显的经济效益。

目前，我国电力行业对于600 ℃以上的管道，可选保温材料主要有硅酸铝制品、硅酸镁纤维毯、多腔孔陶瓷复合绝热制品、纳米气凝胶制品等。其中硅酸铝制品是我国电力行业高温管道应用最早、最广泛的常规保温材料，具有延伸性好、抗震性强、质量轻、隔热性佳、稳定性较强等特点，且在上千摄氏度的高温下不变形，因而被广泛应用于化工产业、电力行业、暖通等各个领域。

纳米气凝胶制品则是近年来出现的一种新型的高效保温材料，是一种把二氧化硅气凝胶复合于增强纤维中的轻质纳米多孔非晶固态材料，在目前已知的隔热材料中，其导热系数最低，因此它可以大大降低保温层厚度，同时减少散热损失。纳米气凝胶毡具有柔软、易裁剪、无机防火、整体疏水等特性，主要用于工业管道、可拆卸式保温套、航空航天等领域的保温隔热。

本文将用某H级燃气联合循环机组作为分析载体，通过对比该机组主蒸汽及再热蒸汽管道保温分别采用硅酸铝针刺毯和纳米气凝胶复合绝热毡保温材料的技术经济性，并结合纳米气凝胶复合绝热毡保温材料的优点，分析现阶段H级燃气联合循环机组主、再热蒸汽管道保温采用纳米气凝胶的可行性。

1    两种绝热材料的特点

1.1    硅酸铝针刺毯

硅酸铝针刺毯具有延伸性好、抗震性强、质量轻、隔热性佳、稳定性较强等特点，广泛应用于化工产业、电力行业、暖通等各个领域，是我国电力行业高温管道应用最早和最广泛的常规保温材料。

硅酸铝针刺毯通常是将硅酸铝原料加入电弧炉或电阻炉中熔融，形成流股，流股经压缩空气或蒸汽喷吹后成为纤维，经过除渣器除渣后，集棉形成成品纤维，最后针刺成毯。

成品的硅酸铝针刺毯制品应符合《绝热用硅酸铝棉及其制品》（GB/T 16400—2015）的相关要求，主要性能指标如表1所示。

硅酸铝针刺毯的特点：

（1）绝热性能良好。硅酸铝纤维直径一般为微米级，纤维之间的接触面小，固体热传导路径长，因此热阻很大。同时硅酸铝纤维之间有丰富的微米级间隙，有效地減小了空气的对流传热。因此，硅酸铝材料具有很好的绝热性能，在管道温度600 ℃时的热导率约为0.1 W/（m·K）。

（2）价格较低。每立方米硅酸铝制品的价格是600～1 000元。

（3）耐候性稍差。由于硅酸铝针刺毯等制品的纤维之间具有较大的空隙，因此整体组织强度不大，在浸湿或经过较长时间运行后，通常会发生老化、局部坍缩等情况，从而导致保温效果变差，管道散热损失增加，甚至出现管道保温层外表面超过防烫伤温度的情况。

1.2    纳米气凝胶复合绝热毡

纳米气凝胶制品是近年来出现的一种新型的高效保温材料，是一种把二氧化硅气凝胶复合于增强纤维中的轻质纳米多孔非晶固态材料，具有在目前已知的隔热材料中最低的导热系数，因此它可以大大降低保温层厚度，同时减少散热损失。纳米气凝胶毡主要用于工业管道、航空航天等领域的保温隔热，仅在少数火电厂高温管道保温方面有应用业绩。

纳米气凝胶制品一般采用溶胶—凝胶法进行商业化制备，在凝胶过程前加入功能性添加材料，如红外遮光剂、增强纤维、微米级骨架颗粒以及高温收缩抑制剂、疏水剂等，再经超临界干燥制成复合绝热材料。

纳米气凝胶复合绝热材料的性能应符合《纳米孔气凝胶复合绝热制品》（GB/T 34336—2017）的相关要求，其主要性能指标如表2所示。

纳米气凝胶绝热毡的特点：

（1）绝热性能极佳。气凝胶制品的孔洞率高达80%～99.8%，其孔洞的典型尺寸为1～100 nm，比表面积高达100～1 000 m2/g。纳米级孔洞使其热传导距离远大于纤维类绝热材料，同时孔洞的直径小于空气分子自由运动的平均距离，从而有效降低了固体热传导和空气对流传热，因此具有很低的导热系数。

（2）减薄保温厚度。由于绝热性能优秀，因此在同等条件下，管道温度600 ℃时的热导率约为0.04 W/（m·K），保温厚度和用量比硅酸铝制品少1/2以上，节省了布置空间。

（3）机械强度高。由于纳米级颗粒和增强基材结合牢固，因此纳米气凝胶绝热毡具有较好的抗压抗拉强度，使用寿命远高于常规的纤维制品。

（4）耐候性好。纳米气凝胶绝热毡的遮光剂、疏水剂等材料均匀分布于绝热材料中，得益于类似钢筋混凝土结构的复合结构，在整个使用寿命内，纳米气凝胶复合绝热材料的绝热性能下降很少。

（5）价格高昂。纳米气凝胶的每立方米价格较高，是硅酸铝制品的15倍左右，约为15 000元/m3，因此总体初投资要比传统材料高得多。